Automatisierte Zinkascheabscheidung im Feuerverzinkungsprozess
Machbarkeit unter Industriebedingungen nachgewiesen
Beim Feuerverzinken sind Beschäftigte während des Verzinkungsprozesses besonders hohen Risiken für ihre Sicherheit und Gesundheit ausgesetzt. Das gilt insbesondere beim manuellen Abscheiden der Zinkasche von der Oberfläche der Zinkschmelze.
Um diese Risiken zu minimieren, haben die BGHM, das Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung Magdeburg (Fraunhofer IFF Magdeburg) und das Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen ein gemeinsames Forschungsprojekt durchgeführt. Sie haben die Automatisierung der Zinkascheabscheidung mittels Robotertechnik untersucht und an einem Feuerverzinkungsofen unter Industriebedingungen erprobt.
Beim Feuerverzinken werden die vorbehandelten und an den Querträgern einer Traverse befestigten Werkstücke in einen Verzinkungskessel mit flüssigem, etwa 450° C heißem Zink getaucht. Während des rund zehnminütigen Prozesses reagiert das flüssige Zink entweder mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft oder mit dem Flussmittel auf der Oberfläche der eingetauchten Werkstücke. Bei einer Reaktion mit Sauerstoff entsteht Zinkschlacke; bei einer Reaktion mit Flussmittel entsteht Zinkasche.
© Fraunhofer IFF
Die Reaktion des Flussmittels mit dem flüssigen Zink unter Bildung von Zinkasche wird auch als Abkochen des Flussmittels bezeichnet. Im Fokus des Forschungsprojekts stand jene Zinkasche, die von der Werkstückoberfläche an die Oberfläche der Zinkschmelze aufsteigt und sich darauf ablagert. Die auf der Schmelze schwimmende Zinkasche lagert sich wiederum auf der Oberfläche der Werkstücke ab, wenn diese aus der Zinkschmelze gezogen werden. Das führt zu einer Korrosion der Werkstückoberfläche und zur optischen Beeinträchtigung. Deshalb schieben Beschäftigte die Zinkasche mit einem mechanischen Rechen manuell von der Oberfläche zur Stirnseite des Verzinkungskessels – das wird auch Abstreifen der Zinkasche genannt. Dabei sind sie mechanischen Gefährdungen ausgesetzt, wie einem Sturz in die Zinkschmelze. Zudem bestehen chemisch-inhalative Gefährdungen durch das Einatmen der Zinkrauche. Mit einer Automatisierung der Zinkascheabscheidung würde der manuelle Prozess entfallen, sodass die Gefährdungen signifikant reduziert werden würden.
Mechanische und gasbasierte Abscheidewerkzeuge im Test
In dem gemeinsamen Forschungsprojekt von BGHM, Fraunhofer IFF Magdeburg und IEHK der RWTH Aachen wurden automatisierte Abscheideprozesse für die Zinkasche mittels Robotertechnik entwickelt, die sich an den branchentypischen manuellen Arbeitsabläufen orientierten. Dafür wurden in zwei verschiedenen Versuchsreihen ein Rechen als mechanisches Abscheidewerkzeug und ein gasbasiertes Abscheidewerkzeug mit Düsenleiste am Manipulator, dem Arm eines sechsachsigen Industrieroboters, montiert. Der Roboter konnte auf einer Linearachse entlang der gesamten Länge des Verzinkungsofens bewegt werden. Die Abscheidewerkzeuge wurden von ihm in die Räume zwischen die Warenträger der Traverse geführt und dort so über die Oberfläche der Zinkschmelze bewegt, dass die Zinkasche mit dem mechanischen Werkzeug weggeschoben oder mit dem gasbasierten Werkzeug durch den Gasstrom wegbewegt wurde.
In einem ersten Schritt wurden für den Einsatz am Feuerverzinkungsofen geeignete Abscheidewerkzeuge entworfen und konstruiert. Eine Herausforderung war es, Werkzeuge mit ausreichender Steifigkeit und Stabilität herzustellen, sodass deren Gewicht die zulässige Belastung am Roboterarm des eingesetzten Roboters nicht überschritt. In den Abscheideversuchen wurde Zinkasche für eine bessere Vergleichbarkeit manuell in stets gleicher Menge und gleicher Verteilung auf die Zinkschmelze aufgebracht.
Mit dem Rechen wurde die Zinkasche vollständig von der Zinkschmelze entfernt. Die Zinkschlacke wurde nicht vollständig, aber im gleichen Umfang und damit ausreichend entfernt wie beim manuellen Abstreifen. Das Abstreifen erfolgte in einer anfangs langsamen Bewegung des Rechens über die Zinkoberfläche, gefolgt von einer impulsartigen Bewegung mit Geschwindigkeiten von bis zu 2 m/s. Dabei konnte Zinkasche sogar aus solchen Zonen unterhalb der Traverse wegbewegt werden, die mit dem Rechen nicht direkt erreicht werden konnten.
Beim gasbasierten Abscheideprozess wurde die Zinkasche durch das Einwirken der Prozessgase aus der Düsenleiste auf die Oberfläche der Zinkschmelze mobilisiert, wobei die Gasdurchflussmenge und die Druckluftversorgung eine entscheidende Rolle für die Wirksamkeit des Abscheideprozesses spielten. Bei zusätzlichen Versuchen mit Stickstoff als Prozessgas wurde eine erwartungsgemäß geringere Oxidation der Zinkoberfläche im Vergleich zur Verwendung von Druckluft festgestellt.
Abscheidesysteme sind industrietauglich
Das Forschungsprojekt hat gezeigt: Das Abscheiden der Zinkasche und Zinkschlacke beim Feuerverzinken lässt sich auch im Industriemaßstab mittels Robotertechnik automatisieren. Eine Automatisierung verbessert beim Feuerverzinken die Arbeitssicherheit und den Gesundheitsschutz für die Beschäftigten und erhöht zusätzlich die Effizienz des gesamten Verzinkungsprozesses für die Betriebe. Mit dem automatisierten mechanischen Abscheidesystem wurden bei Einsatz des Rechens sehr gute Ergebnisse vergleichbar dem manuellen Prozess erzielt. Gute Ergebnisse erzielte auch das gasbasierte System, wobei Druck und Durchflussmenge der Prozessgase einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Abscheideergebnisses haben.
Fraunhofer IFF/Dr. Andreas Voßberg, BGHM
Ausgabe 4/2025